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新闻事件：高性能三元材料动力锂电池即将国产事件影响：上海卡耐新能源公司即将投产的三元材料锂离子动力电池
近日，由上海卡耐新能源有限公司生产的高性能三元材料动力锂电池在北京亮相。据悉，该锂电池是引进日本技术生产的，将于今年年底投放国内市场。

上海卡耐新能源公司是由中国汽车技术研究中心和日本掌握电池核心技术的机构日本英耐时株式会社等共同出资设立的中外合资公司，专门从事动力锂电池研发、生产和销售。上海新工厂建成后，将形成1亿安时的产能，并将成为国内唯一大批量生产三元材料锂离子动力电池的厂商，拥有18项专利技术和多项专有技术。

据了解，上海卡耐新能源公司即将投产的三元材料锂离子动力电池，采用叠片式软包装形式，其电池能量密度比目前国内市场上风头正劲的磷酸铁锂电池高35%，将对解决电动汽车续驶里程不足的问题是一种有效的解决方案。与磷酸铁锂电池、钴酸锂电池等相比，三元材料锂电池有很多优势，是比较适合的车用锂电池。目前，三元材料锂电池能量密度能够达到160Wh/kg，已经明显高于其他材料的电池。另外，其低温特性、功率特性以及高温储存性也优于其他材料的电池。随着技术的不断提高，三元材料锂电池的能量密度还会有很大的上升空间。目前，该公司已与3家整车企业客户开展合作，开发设计动力电池系统。同时，也受到了国外跨国大公司的关注。
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我国锂电池材料发展亟待突破国外专利封锁

机遇与挑战：我国锂电池材料发展亟待突破国外专利封锁

市场数据： 2010年全球锂离子电池的产量约为50亿只 2010年全球锂离子电池的产量占到了32%

“日本、中国和韩国是世界3大锂离子电池生产国，2010年全球锂离子电池的产量约为50亿只，中国生产了16亿只，占到了32%。”中国化学与物理电源行业协会秘书长刘彦龙日前表示。然而，如此庞大的锂电池产业，却面临极大的材料专利纠纷，这也成为悬在中国锂电池行业头顶的利剑。

“近5年来，锂动力电池技术日臻成熟，按照其所选用的正极材料来划分，主要有锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂3种。其中，锰酸锂动力电池具有较高的氧化还原放热稳定性，切充放点循环300多次后，容量保持率仍达到90%以上，完全可以满足电动车在高、低温条件下的使用要求，是各种动力电源的理想选择和发展方向。”中国自行车协会助力车专业委员会主任陆金龙告诉记者：“三元电池是镍、钴、锰3种材料组成，其具有较高的充放电循环性能，一般可达500次以上。而磷酸铁锂电池安全性能更好，循环寿命可达1000次以上。”

“近年来，有关锂离子电池正极材料磷酸铁锂的专利纠纷的报道非常混乱，在一些关键问题上说法不一、张冠李戴，加上个别企业为一己私利，偷换概念浑水摸鱼，已在相当程度上给公众造成了误导。”中国电池工业协会常务理事、哈尔滨工业大学胡信国教授认为，关于锂电池材料的专利纠纷有些问题需要澄清。“作为锂离子电池的正极材料（负极材料为石墨），磷酸铁锂的核心技术主要有二：一是在其合成过程中锂离子被包裹上了一层碳（否则不具导电性），简称“包敷碳技术”；二是作为磷酸铁锂生产工艺的“碳热还原技术”。这两项技术的专利均为加拿大Phostech公司所有。美国多家锂离子电池制造商也提过相同专利主张，但均以Phostech公司胜诉告终。目前只有全球领先的锂离子电池制造商美国A123与Phostech公司的官司尚未结案。”胡信国透露，加拿大和美国对磷酸铁锂实施专利保护，但Phostech公司在欧洲申请专利保护被拒。“这也就意味着，加拿大、美国之外的磷酸铁锂生产商如果没有获得Phostech公司的专利授权，其产品进入加美市场就会面临索赔风险。”他举例指出，丰田普锐斯混合动力累计销量已突破200万辆，其重点市场在加美，使用的是镍氢电池而非锂离子电池，丰田当初很担心，一旦发生专利纠纷，有可能引发巨额侵权索赔，那麻烦就大了。

据胡信国介绍，Phostech公司已在中国进行了申请注册并获得批准，为中国企业设置了绕不过去的专利屏障。“2010年，中国电池工业协会委托中国政法大学向国家专利复审委员会对Phostech公司持有的‘磷酸铁锂电池’专利提出了无效请求，目前仍在审理中，还没有明确结果。”陆金龙也非常关心这个结果，但他表示，结果出来之前，一切还都是未知，中国企业在将来要么被免除专利费，要么被追索专利赔偿。胡信国强调，个别本土企业为了规避Phostech公司的专利，声称改变了磷酸铁锂的配方和生产工艺乃自欺欺人。“Phostech公司的磷酸铁锂专利由其独家晶体结构和分子式组成，为达到严密的专利防范，其在中国注册了包括核心专利和边缘专利在内的250多项专利，中国企业根本无法突破。改变配方和生产工艺是可能的，但产品肯定就不是磷酸铁锂了。”

不仅在磷酸铁锂存在外国专利保护的瓶颈，在其他一些材料路线上，中国同样受制于人。“锰酸锂材料寿命长，国内业界通过掺杂其他材料和生产工艺改进，提高了高温稳定性能。例如天能公司就宣称该公司研发的以锰系材料为主的电动自行车电池，通过使用改性锰酸锂材料，优化电解液配比，大大提高了锰酸锂材料的高温性能和储存性能，高温循环寿命比普通锰酸锂材料提高了近50%。科斯特公司宣称该公司选用优质正极材料，从而使循环次数提高50%，同时自放电减少。但是，目前工艺技术和设备却掌握在日本手里。”中国北方车辆研究所国家863动力电池测试中心主任王子冬教授遗憾地指出。王子冬表示，在钛酸锂材料做负极材料等方面，国内的研究也卓有成效，提高了电池的比能量，降低了成本。不仅材料安全性好，寿命长，充放电比功率高，但同样存在国外专利保护的问题。

据悉，在今年6月底举行的2011第十届中国国际电池产品及原辅材料、零配件、机械设备展示交易会上，国内某电池公司的技术人员曾经向媒体表示，该公司的“铁电池”是在磷酸铁锂中添加了钴元素，全称应该是“磷酸铁钴锂电池”，它不仅规避了磷酸铁锂电池的专利，也提高了锂离子电池的性能。对此，有业内权威人士认为，在磷酸铁锂中添加其他元素确实可以规避专利，但材料性能只会下降不会提升。

“锂电池确实迎来了全面的发展机遇，但是要秉持积极审慎的态度，寻求平稳发展，切忌那种大跃进式的浮躁和虚假。锂电池材料具有较高的专利壁垒，我国锂电池产业的发展还需要经历技术研发和经验积累，并在此基础上加以完善，实现产品的成熟稳定。”一位业内人士说。

锂电池保护电路工作原理

中心议题：

锂电池过充电保护工作原理锂电池过放电保护锂电池过电流保护锂电池短路保护

电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：

1 正常状态

在正常状态下电路中N1的“CO"与“DO"脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。

2 过充电保护

锂离子电池作为可充电池的一种，要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V（根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V），转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。

在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“CO"脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。

在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

3 过放电保护

电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。

在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO"脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。

由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。

在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

4 过电流保护

由于锂电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C（C=电池容量/小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。

电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2, RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-"脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO"脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。

在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。

在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。

5 短路保护

电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC则判断为负载短路，其“DO"脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。

以上详细阐述了单节锂离子电池保护电路的工作原理，多节串联锂离子电池的保护原理与之类似，在此不再赘述，上面电路中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列，在实际的电池保护电路中，还有许多其它类型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小异，只是在具体参数上有所差别，有些控制IC为了节省外围电路，将滤波电容和延时电容做到了芯片内部，其外围电路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。

随着科技的发展，便携式设备的体积越做越小，而随着这种趋势，对锂离子电池的保护电路体积的要求也越来越小，在这两年已出现了将控制IC和MOSFET整合成一颗保护IC的产品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的厂家甚至将整个保护电路封装成一颗小尺寸的IC，如MITSUMI公司的产品。

锂电池及锂聚合物电池保护电路的设计

中心议题：

锂电池保护电路原理分析锂电池保护电路设计锂电池保护电路仿真结果及分析

解决方案：

检测电路设计偏置电路设计延时电路、电平转换电路及待机设计

1 引言

锂电池产品在充放电过程中的过充电、过放电、放电过电流及其它异常状态（例如负载短路），将会导致内部发热，可能引起电池或其它器件的损害，严重影响到电池使用的安全性。因此，锂电池产品保护电路的设计应用必不可少。本文基于标准CMOS工艺，设计了一种全功能电池保护电路。通过过放电检测输出端、过充电检测输出端的CMOS输出电平控制外接的两个N沟道场效应开关晶体管的关断，从而达到对电池实施保护的目的。具有高检测电压精度、低功耗、可靠性高等优点，可广泛用于移动电话、笔记本电脑、PDA、MP3等产品中。

2　电池保护电路原理分析

本论文所设计的电池保护电路应用示意图如图1所示。实线框内为电池保护电路的系统结构图，框外为外围器件连接示意图。

图1中，DOUT为过放电检测的CMOS输出，COUT为过充电检测的CMOS输出，VDD为电池电压输入，VSS为芯片接地引脚，DS为响应延迟时间缩短控制输入端，V-为放电过流检测端。

在充电时，若电池电压高于过充电检测电压并保持相应的延迟时间，COUT端由高电位变为低电位，充电控制MOS管MC关断，芯片进入过充电保护状态，停止充电。

在放电时，若电池电压低于过放电检测电压并保持相应的延迟时间，DOUT端由高电位变为低电位，放电控制MOS管MD关断，芯片进入过放电保护模式，停止放电。

图1　锂离子/锂聚合物电池保护电路芯片应用电路图以及内部系统结构框图

在放电时，芯片同时监控V-端电压。当因电流过大引起V-端电压高于放电过电流检测电压，而低于短路检测电压时，芯片进入放电过电流保护状态；当V-端电压高于短路检测电压时，芯片进入短路保护状态。此时，DOUT端输出由高电位变为低电位，关断MD防止电路中通过强电流。

图1中，R1和C1起到对外接充电器或与其并联的二次电池的电压波动进行平滑滤波抑制的作用。而电阻R1、R2为当对电池反向充电或充电器充电电压超过芯片绝对极限额定充电电压值时的限流电阻。

该系统中主要包括过充电检测电路（VD1）、过放电检测电路（VD2）、放电过电流检测电路（VD3）和短路检测电路、电平转换电路、基准电路、振荡电路以及偏置电路等。

3　电路设计

由于保护电路依靠电池来供应其电源电压，为了不影响电池的待机时间，应尽可能设计低电源电压、低功耗的电池保护电路。

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003.1　检测电路设计
由于检测电路VD1、VD2、VD3原理类似，在此以过放电检测电路（VD2）设计为例进行分析。为了满足整个芯片功耗小的要求，可设计该电路处于亚阈值工作状态，有效降低其工作电流及电压。

图2　过放电检测电路

过放电检测电路（VD2）可利用一个二级开环比较器来实现，如图2所示。在设计中应采用差分输入并尽可能地提高增益，以满足精度要求。该电路中，第一级是由MN1,MN2,MP1,MP2,MN3,MN4组成的差分放大器。第二级是由MP5,MN5组成的单级放大器。前级放大器放大输入的差模信号，后一级将前级的输出进一步放大，以达到数字信号的输出电平。该比较器电路的直流增益为：

同时，还必须考虑诸如传输时延、输出电压摆率、输入共模范围等性能。鉴于大的偏置电流和小的电容可使摆率得到改善，缩短延迟时间，因此可通过加大偏置电流而达到高速。但是，一般而言，高速比较器也会有较高的功耗。因此在设计时必须在功耗与速度之间进行折衷。相对于处于饱和区的比较器而言，工作在亚阈值区的比较器的延迟时间显着增长，这主要是由于工作在亚阈值区的偏置电流较小，电容充放电需要更长的时间，从而使得延迟时间变长。该比较器具有与差动放大器类似的ICMR（输入共模范围），其最低输入电压应小于过放电检测基准电压。

3.2　偏置电路设计
偏置电路用于为检测电路提供稳定、高精度的基准电压，从而检测过充电、过放电、放电过电流等状态。本论文中设计了一种低功耗基准电路，示于图3。

图3　低功耗基准电路
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基于耗尽型NMOS管阈值电压为负值，在VGS=0时也处于工作状态，该特性可有效降低其工作电压及功耗。因而，该基准电路中利用串联的耗尽型NMOS管MN1-MN4、串联的增强型NMOS管MN5-MN9、MN11-MN12和电阻R1、R2构成基于VGS的基准电压电路，该基准电路的输出为检测比较器反相端的基准电压信号VREF。

由于本电路中耗尽管阈值电压为负值，且栅源电压恒为0,故耗尽型管始终工作在饱和区。且其电流值恒定为：

同时为满足该电路低功耗的要求，应尽可能使电路中增强性管工作在亚阈值区。如图3所示，基于衬偏效应和源极电位的升高，MN5管工作于亚阈值区。

即对于增强型NMOS管，VTH随温度升高而下降，而对于耗尽型NMOS管，VTH为负值，其绝对值随温度升高而上升。由此推得，当选取合适的参数时，本电路的温度漂移可以控制在较小范围内。

3.3　其余部分设计
3.3.1　延时电路
为了防止干扰信号使保护电路产生误操作，系统针对不同的异常状态，设置了相应的延迟时间。

该延迟时间是由振荡电路以及计数器共同实现。

振荡电路采用三级环形振荡器结构，其每一级由一个反相器和一个电容构成，该振荡电路正常工作时，向计数器输出振荡方波，不工作时输出高电平。

计数器由D触发器级联而成。

3.3.2　电平转换电路
同时，为了保证充电控制管MC在过充电状态下有效关断，利用电平转换电路使输出COUT端为逻辑电路输出信号的四级反相，从而使COUT端低电平由VSS降至V-。

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003.3.3　待机状态
芯片中的部分电路设有使能端，为逻辑电路输出。当保护电路进入过放电保护状态后，该使能端由高电位变为低电位，关闭相应电路，芯片进入待机状态，从而大大降低消耗电流，减小功耗。

图4　过充电保护及复原波形图

4　仿真结果及分析

本芯片采用0.6μm的标准CMOS工艺。使用49级HSPICE模型进行仿真。图4为过充电保护及复原波形图，图5为过放电保护及复原波形图。

正常工作时，该芯片的消耗电流为2.11μA,而处于待机状态时的消耗电流仅为0.03μA。过充电过放电的电压检测精度约为25mV。

图5　过放电保护及复原波形图

5　结论

本文基于全功能电池保护电路原理，针对过放电、过充电、放电过电流、负载短路等异常状态设置了相应的保护机制。为满足低功耗要求，设计了基于亚阈值区的基准电路及比较器，并设置了待机状态。经仿真验证，本芯片满足功能、性能设计要求，已经流片成功。

锂电池组均衡充电保护板设计

中心议题：

锂电池组保护板均衡充电基本工作原理锂电池组保护板均衡充电工作仿真模型

成组锂电池串联充电时，应保证每节电池均衡充电，否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。常用的均衡充电技术有恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、开关电容均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能；多节锂电池保护芯片均衡充电控制功能需要外接CPU,通过和保护芯片的串行通讯（如I2C总线）来实现，加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。

本文针对动力锂电池成组使用，各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护，充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题，设计了采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板。仿真结果和工业生产应用证明，该保护板保护功能完善，工作稳定，性价比高，均衡充电误差小于50mV。

锂电池组保护板均衡充电基本工作原理

采用单节锂电池保护芯片设计的具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图如图1所示。其中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分流放电支路电阻；3为分流放电支路控制用开关器件；4为过流检测保护电阻；5为省略的锂电池保护芯片及电路连接部分；6为单节锂电池保护芯片（一般包括充电控制引脚CO,放电控制引脚DO,放电过电流及短路检测引脚VM,电池正端VDD,电池负端VSS等）；7为充电过电压保护信号经光耦隔离后形成并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极；8为放电欠电压、过流、短路保护信号经光耦隔离后形成串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极；9为充电控制开关器件；10为放电控制开关器件；11为控制电路；12为主电路；13为分流放电支路。单节锂电池保护芯片数目依据锂电池组电池数目确定，串联使用，分别对所对应单节锂电池的充放电、过流、短路状态进行保护。该系统在充电保护的同时，通过保护芯片控制分流放电支路开关器件的通断实现均衡充电，该方案有别于传统的在充电器端实现均衡充电的做法，降低了锂电池组充电器设计应用的成本。

图1　具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图

当锂电池组充电时，外接电源正负极分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，充电电流流经电池组正极BAT+、电池组中单节锂电池1～N、放电控制开关器件、充电控制开关器件、电池组负极BAT-,电流流向如图2所示。

图2　充电过程
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系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的充电过电压保护控制信号经光耦隔离后并联输出，为主电路中充电开关器件的导通提供栅极电压；如某一节或几节锂电池在充电过程中先进入过电压保护状态，则由过电压保护信号控制并联在单节锂电池正负极两端的分流放电支路放电，同时将串接在充电回路中的对应单体锂电池断离出充电回路。

锂电池组串联充电时，忽略单节电池容量差别的影响，一般内阻较小的电池先充满。此时，相应的过电压保护信号控制分流放电支路的开关器件闭合，在原电池两端并联上一个分流电阻。根据电池的PNGV等效电路模型，此时分流支路电阻相当于先充满的单节锂电池的负载，该电池通过其放电，使电池端电压维持在充满状态附近一个极小的范围内。假设第1节锂电池先充电完成，进入过电压保护状态，则主电路及分流放电支路中电流流向如图3所示。当所有单节电池均充电进入过电压保护状态时，全部单节锂电池电压大小在误差范围内完全相等，各节保护芯片充电保护控制信号均变低，无法为主电路中的充电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即实现均衡充电，充电过程完成。

图3　分流均衡过程

当电池组放电时，外接负载分别接电池组正负极BAT+和BAT-两端，放电电流流经电池组负极BAT-、充电控制开关器件、放电控制开关器件、电池组中单节锂电池N～1和电池组正极BAT+,电流流向如图4所示。系统中控制电路部分单节锂电池保护芯片的放电欠电压保护、过流和短路保护控制信号经光耦隔离后串联输出，为主电路中放电开关器件的导通提供栅极电压；一旦电池组在放电过程中遇到单节锂电池欠电压或者过流和短路等特殊情况，对应的单节锂电池放电保护控制信号变低，无法为主电路中的放电控制开关器件提供栅极偏压，使其关断，主回路断开，即结束放电使用过程。

图4　放电过程

一般锂电池采用恒流-恒压（TAPER）型充电控制，恒压充电时，充电电流近似指数规律减小。系统中充放电主回路的开关器件可根据外部电路要求满足的最大工作电流和工作电压选型。

控制电路的单节锂电池保护芯片可根据待保护的单节锂电池的电压等级、保护延迟时间等选型。

单节电池两端并接的放电支路电阻可根据锂电池充电器的充电电压大小以及锂电池的参数和放电电流的大小计算得出。均衡电流应合理选择，如果太小，均衡效果不明显；如果太大，系统的能量损耗大，均衡效率低，对锂电池组热管理要求高，一般电流大小可设计在50～100mA之间。

分流放电支路电阻可采用功率电阻或电阻网络实现。这里采用电阻网络实现分流放电支路电阻较为合理，可以有效消除电阻偏差的影响，此外，还能起到降低热功耗的作用。

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10均衡充电保护板电路工作仿真模型

根据上述均衡充电保护板电路工作的基本原理，在Matlab/Simulink环境下搭建了系统仿真模型，模拟锂电池组充放电过程中保护板工作的情况，验证该设计方案的可行性。为简单起见，给出了锂电池组仅由2节锂电池串联的仿真模型，如图5所示。

图5　2节锂电池串联均充保护仿真模型

模型中用受控电压源代替单节锂电池，模拟电池充放电的情况。图5中，Rs为串联电池组的电池总内阻，RL为负载电阻，Rd为分流放电支路电阻。所采用的单节锂电池保护芯片S28241封装为一个子系统，使整体模型表达时更为简洁。

保护芯片子系统模型主要用逻辑运算模块、符号函数模块、一维查表模块、积分模块、延时模块、开关模块、数学运算模块等模拟了保护动作的时序与逻辑。由于仿真环境与真实电路存在一定的差别，仿真时不需要滤波和强弱电隔离，而且多余的模块容易导致仿真时间的冗长。因此，在实际仿真过程中，去除了滤波、光耦隔离、电平调理等电路，并把为大电流分流设计的电阻网络改为单电阻，降低了仿真系统的复杂程度。建立完整的系统仿真模型时，要注意不同模块的输入输出数据和信号类型可能存在差异，必须正确排列模块的连接顺序，必要时进行数据类型的转换，模型中用电压检测模块实现了强弱信号的转换连接问题。

仿真模型中受控电压源的给定信号在波形大体一致的前提下可有微小差别，以代表电池个体充放电的差异。图6为电池组中单节电池电压检测仿真结果，可见采用过流放电支路均充的办法，该电路可正常工作。

图6　锂电池电压检测仿真结果
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系统实验

实际应用中，针对某品牌电动自行车生产厂的需求，设计实现了2组并联、10节串联的36V8A·h锰酸锂动力电池组保护板，其中单节锂电池保护芯片采用日本精工公司的S28241,保护板主要由主电路、控制电路、分流放电支路以及滤波、光耦隔离和电平调理电路等部分组成，其基本结构如图7所示。放电支路电流选择在800mA左右，采用510Ω电阻串并联构成电阻网络。

图7　锂电池组保护板基本结构

调试工作主要分为电压测试和电流测试两部分。电压测试包括充电性能检测过电压、均充以及放电性能检测欠电压两步。可以选择采用电池模拟电源供应器代替实际的电池组进行测试，由于多节电池串联，该方案一次投入的测试成本较高。也可以使用装配好的电池组直接进行测试，对电池组循环充放电，观测过压和欠压时保护装置是否正常动作，记录过充保护时各节电池的实时电压，判断均衡充电的性能。但此方案一次测试耗费时间较长。对电池组作充电性能检测时，采用3位半精度电压表对10节电池的充电电压监测，可见各节电池都在正常工作电压范围内，并且单体之间的差异很小，充电过程中电压偏差小于100mV,满充电压4.2V、电压偏差小于50mV。电流测试部分包括过流检测和短路检测两步。过流检测可在电阻负载与电源回路间串接一电流表，缓慢减小负载，当电流增大到过流值时，看电流表是否指示断流。短路检测可直接短接电池组正负极来观测电流表状态。在确定器件完好，电路焊接无误的前提下，也可直接通过保护板上电源指示灯的状态进行电流测试。

实际使用中，考虑到外部干扰可能会引起电池电压不稳定的情况，这样会造成电压极短时间的过压或欠压，从而导致电池保护电路错误判断，因此在保护芯片配有相应的延时逻辑，必要时可在保护板上添加延时电路，这样将有效降低外部干扰造成保护电路误动作的可能性。由于电池组不工作时，保护板上各开关器件处于断开状态，故静态损耗几乎为0。当系统工作时，主要损耗为主电路中2个MOS管上的通态损耗，当充电状态下均衡电路工作时，分流支路中电阻热损耗较大，但时间较短，整体动态损耗在电池组正常工作的周期内处于可以接受的水平。

经测试，该保护电路的设计能够满足串联锂电池组保护的需要，保护功能齐全，能可靠地进行过充电、过放电的保护，同时实现均衡充电功能。

根据应用的需要，在改变保护芯片型号和串联数，电路中开关器件和能耗元件的功率等级之后，可对任意结构和电压等级的动力锂电池组实现保护和均充。如采用台湾富晶公司的FS361A单节锂电池保护芯片可实现3组并联、12串磷酸铁锂电池组保护板设计等。最终的多款工业产品价格合理，经3年市场检验无返修产品。

结论

本文采用单节锂电池保护芯片设计实现了多节锂电池串联的电池组保护板，除可完成必要的过电压、欠电压、过电流和短路保护功能外，还可以实现均衡充电功能。仿真和实验结果验证了该方案的可行性，市场使用情况检验了该设计的稳定性。

电动车36 V锂电池组保护电路设计方案

中心议题：

电动车36 V锂电池组保护电路设计方案

解决方案：

稳压电源模块设计充电均衡模块设计电压电流测量模块设计温度检测模块设计开关模块设计

随着电动自行车的逐渐普及，电动自行车的主要能源---锂电池也成为众人关心的焦点。锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样，因其能量密度高，对充放电要求很高。当过充、过放、过流及短路保护等情况发生时，锂电池内的压力与热量大量增加，容易产生爆炸，因此通常都会在电池包内加保护电路，用以提高锂电池的使用寿命。针对目前电动车锂电池组所用的保护电路大多都由分立原件构成，存在控制精度不够高、技术指标低、不能有效保护锂电池组等特点，本文中提出一种基于单片机的电动车36 V锂电池组（由10节3. 6 V锂电池串联而成）保护电路设计方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 单片机作为检测和控制核心，用由MC34063构成的DC /DC变换控制电路为整个保护电路提供稳压电源，辅以LM60 测温、MOS管IRF530N作充放电控制开关，实现对整个电池组和单个电池的状态监控和保护功能，达到延长电池使用寿命的目的。

1 保护电路硬件设计

本系统以单片机为数据处理和控制的核心，将任务设计分解为电压测量、电流测量、温度测量、开关控制、电源、均衡充电等功能模块。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图

电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路，加到信号采集部分的A /D输入端。 A /D模块将输入的模拟信号转换为数字信号，并传输给单片机。单片机作为数据处理和控制的核心，一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态，一方面根据这些状态参数控制驱动大功率开关。由于使用了单片机，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。

1. 1 ATmega16 L单片机模块
从低功耗、低成本设计角度出发，单片机模块采用高性能、低功耗的ATmega16 L单片机作为检测与控制核心。 ATmega16 L 是基于增强的AVRR ISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，内部带有16 k 字节的系统内可编程Flash, 512 字节EEPROM, 1 k字节SRAM, 32个通用I/O口线， 32个通用工作寄存器（用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程） , 3个具有比较模式的灵活定时器/计数器（ T/C）（片内/外中断） ,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口， 8路10位具有可选差分输入级可编程增益（ TQFP封装）的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SP I串行端口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 L的数据吞吐率高达1M IPS/MHz,从而可以缓减系统功耗和处理速度之间的矛盾。

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21单片机的输入输出设计如图2所示。由电源部分降压、稳压得到的3. 3 V电压通过端口10为单片机提供工作电压；端口12和13为反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端和反向振荡放大器的输出端，为单片机提供工作晶振；端口30是端口A与A /D转换器的电源，使用ADC时通过一个低通滤波器与端口10的VCC连接；端口37,38的ADC3, ADC2是经过转换后待检测的电压、电流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是经过温度传感器转换后的温控电压值。

图2 单片机的外围电路设计

1. 2 稳压电源模块
稳压电源是单片机系统的重要组成部分，它不仅为系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。 ATmega16 L单片机的工作电压为2. 7~5. 5 V,为保证单片机稳定的工作电压为3. 3 V. 稳压部分是由MC34063构成的DC /DC变换控制电路，从电池组分出的25 V电压经过电路降压、稳压，输出3. 3 V,供保护电路工作，其电路如图3所示。

图3 稳压电源模块电路

1. 3 充电均衡模块
采用模拟电路方案。即在每节电池的外部搭建过压保护电路，充电过程中当电压超过预定值时，保护电路自动闭合，使电池通过电阻回路放电，以保护电池不会过度充电。当电池电压减小到均衡充电动作电压4. 18 V时，保护电路自动断开。

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211. 4 电压电流测量模块
待测的电压通过集成运算放大器LM358,将输出送至单片机进行检测。 LM358内部包括2个独立、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用和双电源工作模式，由于其低功耗电流，也适合于电池。用霍尔传感器UGN - 3501 M 检测直流电流。 UGN -3501M是集成型霍尔传感器，采用差动霍尔电压输出，检测灵敏度为1. 4 V /0. 1T.

电压电流检测电路的设计如图4 所示。运算放大器LM358的5, 6引脚所接的BB,AA为待测的充电、放电电压，经过放大后由7脚输出至单片机进行检测，当检测到待测电压达到过充、过放保护电压时，由单片机控制断开充放电回路。电流检测通过霍尔传感器完成，如图4所示，将从UGN -3501M1, 8引脚输出的霍尔电压uH 接至LM358的3, 4引脚，经过放大后从1 脚输出ADC3 至单片机，进行过电流保护。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引脚连接调整电位器，用以补偿不等位电势，同时改善线性。调整5, 6引脚外接电阻R16,可使输出霍尔电压uH 与磁场强度有较好的线性关系。

图4 电压电流检测电路

1. 5 温度检测模块
温度检测和控制模块选用电压输出型的半导体温度传感器LM60. 该传感器是一种已校正的集成化温度传感器，它的工作温度范围是- 40 ℃至125 ℃，工作电压范围是2. 7 V至10 V. 信号输出与温度成正比，信号大小可达+ 6. 25 mV /℃。

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21基于LM60的温度检测电路如图5所示。由稳压部分输出的3. 3 V 电源为此电路供电，经过温度传感器将探测点的温度转化为电压值通过ADC0,ADC1输出，再将ADC0, ADC1送入单片机进行检测，当电压值达到温控要求时，单片机控制开关通断。

图5 温度检测电路

1. 6 开关模块
开关采用MOSFET,型号选用P沟道的MOS管的IR530N. 工作原理：单片机控制端口输出高电平，功率三极管导通，功率场效应管的栅极和漏极之间产生压降，功率场效应管导通。

2 软件设计

本系统软件采用C语言编写，处理程序采用模块化编程，程序运行的环境是ICCAVR 开发系统。

在电池组空载的时候，系统进入掉电模式，以使功耗降至最低；当电池组接入负载或对电池组充电时，单片机被激活，由低功耗掉电模式转入正常工作模式，并持续运作。整个程序的流程如图6所示。

图6 程序流程
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21

根据本系统的模块分布，单片机程序分为电压测量模块、电流测量模块和温度测量模块，每一模块调用共同A /D转换函数和延时判断函数等，以缩短代码长度和增强程序代码的可读性。下面给出程序主函数的代码：

void main （void）
{
    int （） ; / /单片机初始化，打开所有开关；
    sleep （） ; / /单片机进入休眠模式；
    int sign |= 1;
    while （ sign = = 1 ） / /判断系统是否运行正常；
    { int（） ;
      dianya （） ; / /调用测压模块；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      dianliu （） ; / /调用测流模块；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      wendu （） ; / /调用温度模块；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
    }
    int （） ;
    sign |= 1;
    main （） ;
}

3 结束语

通过实验，本保护电路系统实现了全部基本功能。与传统采用分离元件的电池保护系统相比，本文中提出基于单片机的电池保护电路系统具有系统体积小、功能多、功耗低、成本低等特点，可用于工业生产。

天津推出新型动力电源充电10分钟，可行200公里

新闻事件：天津推出新型动力电源

事件影响：

新型电源采用“内并式”超级电容器结构方案
天津市将致力于推动“高能镍碳超级电容器”产业化建设
日前，新型动力电源“高能镍碳超级电容器”在天津研制成功。

据了解，该新型动力电源循环寿命达5万次以上，搭载该电容器的智能搬运车实际充放电次数已达1万次以上，使用温度范围在零下40摄氏度至70摄氏度。较以往锂电池和铅酸电池，具有循环寿命长、充放电效率高、安全环保、性价比高等特点。经天津市科委组织的专家鉴定，其技术达到国际先进、国内领先水平，填补了国内的空白。

该电容器科研项目带头人、中国工程院院士周国泰表示，新型电源采用“内并式”超级电容器结构方案，将活性炭材料引入镍氢电池负极，使普通超级电容器与电池结合为一体。搭载此电容器的公交车，一次充电仅10分钟，可行驶200公里，电池寿命亦是蓄电池的25至100倍。

下一步，天津市将致力于推动“高能镍碳超级电容器”产业化基地建设：一期投资10亿元，建成1000万只30亿安时产能，预计产值200亿元；二期建成1亿只300亿安时产能。

新颖而简单的锂电池充电器
中心议题：

探析新颖而简单的锂电池充电器

解决方案：

将OSC震荡频率进行32768次分频
采用LM555或者CD4060等通用IC

随着手机、MP3、PMP、DC/DV等手持电子产品越来越大众化，锂金属(Li)和锂离子(Li+)电池使用越来越普遍，而配用的充电器无论是市售的15元手机充电器还是较高档的DC/DV兼容充电器，绝大部分是采用LM324组成的充电电压检测和控制线路，这些线路无论从控制精度还是功能方面都不能满足锂电池充电特性的要求，直接导致电池充不满，电池寿命减短以及越来越多的电池损坏、爆炸等案例发生。而如果采用国外专用IC来设计，则其极其高昂的成本实在令人无法接受。

有鉴于此，笔者在此介绍两款由国产新型IC组成的锂电池充电器，在大致相当的总体成本下提供了远远超过LM324方案的性能，具有极高的新颖性和市场前景。

PT7M7433T是上海百利通公司最新设计的极高精度的一系列电压检测器的其中一款，其检测精度在0－Vcc (5.5V)范围内小于1mV，而且其批量IC的检测值偏差<±2.5%，这样完全保证了批量产品的性能一致性和极高的总体性能，我们利用其配合少量外部电路即可组成相当简单的锂电池充电线路。

该IC的内部框图和简单介绍如下：（图一）

IC内含一个高精度的615mV基准电压源、两个比较器、一个RS触发器和其它一些逻辑电路，其大致功能是：VCC电压或其它待检测电压通过R1-R3组成的分压网络接在IC的LTHIN /HTHIN检测引脚，当待测电压下降导致LTHIN引脚低于615mV时，输出脚LBO\输出低电平，而如果待测电压上升导致HTHIN引脚高于615 mV时，经过内部逻辑判断和简单延时后，输出脚LBO\输出高电平。

利用这个IC装制的充电器电路如下（图二）

其工作流程大致是：当接上Li+电池和供电电源时，IC通过R1/R2/R3组成的网络检测电池电压，如果电池电压低于3.3V(由R1-R3的电阻值决定),或者按下按制SW1，此时IC3脚的电压低于615mV，则IC4脚输出低电平，通过R5/D2拉低Q1的栅极使之导通，从而通过Q1/R9/D1给电池进行大电流充电，当电池电压一路上升直至超过4.20V,此时IC的1脚电压高过615mV,IC内部经简单判断和延时，令4脚输出高电平，从而关闭大电流充电通道，但是4脚的高电平同时给R7/C2的充电回路供电，令到Q3的栅极电压慢慢升高，并给R8提供通路导致Q2导通，通过R10给Q1提供一个较弱的导通电流，使之微微导通，从而为电池提供一个较少的补充充电电流。按照图中所示元件参数将于大约十分钟后，由于C2的不断充电，其端电压即Q3的栅极电压不断上升直至使Q3导通，从而关闭Q2，令到整个充电过程结束。

上面的方案还存在一些不足之处，例如检测精度由外接电阻R1/R2/R3的精度决定，对于过放电的电池（电池端电压低于2.8V）没有一个小电流预充的过程，另外该方案的10分钟补充充电时间对于较大容量的电池来说不是太足够，因此针对上述不足之处，我们还提供一个成本稍高一点，性能更加完善的方案：（图三）

乍看之下，这个方案采用了三个IC，可是U1和U2是采用的SOT-23或者TO-92封装，就好像普通三极管一样，其价格也就是2－3个三极管的价格，而U3(PT8A2513NE)也是采用的TO-94封装，外形和三极管很相似，价钱也相当便宜，不过，这个电路可以实现智能判断电池是否过放电，决定是否在开始充电时采用小电流预充，另外，采用U3后也将充电后期的补充充电过程延长到大约一个小时！

首先让我们介绍一下该电路中几个IC的功能：

左图（图四）是U1/U2的内部框图，这两个IC只是内部电阻R1/R2的数值不同而已，它们的功能也很简单：当Vcc低于IC的设定值时（根据IC编号不同，内部R3/R4阻值也不同从而导致检测电压值不同，对于PT7M6128指的是2.80V），RST\引脚输出低电平，反之当Vcc 高于1.05倍标称值时（例如对于PT7M6140，此数值为1.05x4.0 =4.20V）则RST\引脚输出高电平。

上面电路的另外一个IC（PT8A25 13）则是一个极简单却极稳定的延时IC，其延时时间仅仅取决于 OSC脚的频率。事实上该IC就是将OSC震荡频率进行32768次分频后用来控制输出的。之所以采用这个电路而不采用LM555或者CD4060等通用IC的原因就是因为它相对而言定时精度更高（其它IC不分频），定时时间更长（可达数小时）。并且电路更加简单，采用TO-94或SOT-23-4封装，就像一个三极管一样。而价钱也跟CD4060差不多，使用效果可就好的太多了。

至此大家想必也大致了解了图三的工作流程了：接上电池和充电器，如果电池电压低于2.8V，则U1输出为低（U2输出也是低），这样R3和R4的回路都不通，只有R2回路导通，给Q1提供微弱的导通，使之输出约数毫安的电流给电池进行预充电，当电池电压上升到超过2.94V(1.05X2.8)时或者刚接上电池电压就超过2.94V时，U1输出高电平而U2继续输出低电平（电池电压还没达到4.2V J）,这时R2通路截止而R3通路导通（因为Q4导通且其源极电平为低－因U1输出拉低），从而由较小阻值的R3令Q1完全导通，提供一个数百毫安的大电流恒流充电，而当这个恒流充电过程慢慢令到被充电的Li+电池端电压上升到4.2V时，U2也输出高电平从而关闭Q4,但是它同时也给U3提供了电源导致U3开始工作，这样U3触发Q3使R4导通提供一个很小的补充充电电流，直至U3达到定时时间从而关闭Q3，这时整个充电过程才完全结束。

相比而言，第二个方案增加了前期智能判断电池状态和自动预充电过程，以及延长了末尾的补充充电过程的时间，各个阶段的充电电流可调并且补充充电时间可调（数分钟至数小时），因此该方案对锂电池充电具有更好的精确性和安全性，加上价钱便宜，功能也比较完善，相信很快会取代市面中低档的充电器特别是那些廉价的手机电池充电器。

大容量锂电池|新型纳米粒子可以提高锂离子电池容量

移动设备越来越多，对电池的容量及小型化都提出了更高的要求，目前大容量锂电池有哪些亮点呢？

新型纳米粒子锂电池

目前移动设备分辨率越来越高，而移动设备的电池技术却没有同步进化，导致电池续航能力越来越差。消费者希望产品提升的1个重要方面就是电池的使用寿命。现在被称为“蛋黄和蛋壳”的新型纳米粒子，可能让锂离子电池迎来新时代。目前做出更好电池的挑战是让电极能够更好地通过充电和放电周期。这些充电/放电周期可能会导致锂电池电极表面脱落和变形，进而让锂电池寿命衰减。

来自麻省理工学院和清华大学的研究人员已经找到一种新方法，以防止锂的不可逆损失，同时提升电池容量和功率。研究人员采用纳米粒子创建了电极，并且具有坚实外壳。

外壳内坚固的“蛋黄”可以反复改变大小，而不会影响外壳。研究小组说，这可能意味着电池重大改进。这种电池负极主要采用金属铝，外壳是由二氧化钛制成。蛋黄材料从壳中分离，空隙允许其扩张和收缩，而不会影响外壳。

这种新型电池使用的材料廉价，并且这种电池容易扩展。有迹象表明，这种新型电池已经接近投入商业实用当中。

EnergyTrend：2016年Q2圆柱型锂电池价格涨幅约在1~4%

受到中国大陆新能源政策影响，中国大陆动力电池需求持续成长，在排挤效应影响下，使IT用圆柱型锂电池的供给呈现短缺。随着供给与需求端彼此的策略调整，目前IT应用端锂电池供给吃紧状况逐步得到缓解。TrendForce集邦科技旗下新能源研究品牌EnergyTrend（集邦新能源网）最新锂电池报价显示，第二季圆柱型锂电池价格涨幅约在1~4%，高分子电池则随着产能的扩充，价格降幅约1~2%，整体锂电池市场保持在健康的供需情况。
由于新能源车对于锂电池的需求持续增加，圆柱型电池自IT应用转移至动力电池应用的趋势不变，第二季各IT品牌陆续降低圆柱型电池采用比重，持续转往高分子以及方形电池。使圆柱电池短缺情形已得到减缓，EnergyTrend预估今年第三季圆柱型锂电池供应状况将持续顺畅。
即使新能源科技（ATL）等厂商持续扩增高分子电池产能，在IT应用端需求快速增加的挹注下，第二季高分子电池价格跌幅已见收敛。EnergyTrend研究经理吕理舜表示，笔电与手机对高分子电池的需求持续增加，使得高分子电池的供给可望持续提升。目前笔电采用高分子电池已逐渐在品牌内部朝向标准化发展，手机用高分子电池则依旧在客制化阶段，仍维持少量多样的供应。

第二季方形电池在供需环境维持稳定下，价格波动已逐渐收敛，EnergyTrend预估2016下半年市场方形电池需求与供给呈现平衡状态，价格表现也将趋于稳定。

此外，动力电池需求持续增长。中国大陆于第二季底公告新补贴目录名单（第四批公告目录），将补贴重点放在本土电池厂，且短期排除已在中国大陆投资的国外电池企业。吕理舜指出，随着中国大陆新能源车需求兴起与利多政策持续推出，各国锂电池主要供货商将持续投入中国大陆市场，近期三星将斥资约4.4亿美元购入中国大陆汽车制造商比亚迪4%的股份，便是看好中国大陆锂电池的内需市场，也借着与本土企业合作，挤进中国大陆新能源车锂电池的补贴行列。

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